采用數(shù)字狀態(tài)空間伺服控制與“低階模態(tài)”高重復(fù)率脈沖光纖激光器技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)高速與精確的激光打標(biāo)，用于要求自動化控制與監(jiān)控、高產(chǎn)出以激光器維護(hù)最少的生產(chǎn)線。 數(shù)字伺服控制器包含了高速數(shù)字信號處理器（DSP），以進(jìn)行伺服電機(jī)在扭矩、速度或位置模式數(shù)字控制的全部必需計(jì)算。與控制和反饋信號（例如電機(jī)電流和電壓、位置編碼器測量）相連的控制器接口由高解析度模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）集成電路提供。參數(shù)整定可從自整定過程中提取，并以數(shù)字方式儲存于硬件，還能消除模擬電路漂移和老化帶來的手動電位計(jì)調(diào)整和問題。另外，采用高性能 DSP 技術(shù)還可以實(shí)施先進(jìn)的電機(jī)控制算法，例如基于模型的高寬帶性能預(yù)測控制。預(yù)測模型源于激光掃描儀電機(jī)運(yùn)動與觀察到的電機(jī)位置的狀態(tài)空間方程式，以及其它動態(tài)變量（例如模擬的電流和電壓）。伺服機(jī)構(gòu)提前預(yù)測激光掃描儀移動，并產(chǎn)生電機(jī)電壓信號，確保源信號受限于電源系統(tǒng)。與模擬伺服機(jī)構(gòu)相比，集成狀態(tài)空間模型的驅(qū)動器可以大大增強(qiáng)帶寬。 與現(xiàn)有激光器（例如Nd:YAG、Nd:YVO4 和 CO2 激光器）相比，脈沖光纖激光器具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如激光參數(shù) M2 < 2時(shí)光束質(zhì)量優(yōu)良、轉(zhuǎn)換效率極高以及使用壽命極長。另外，它在操作時(shí)維護(hù)最低，例如在水冷和光學(xué)對準(zhǔn)方面。由于使用高重復(fù)率脈沖光纖激光器，材料處理已經(jīng)大大改進(jìn)。由于脈沖寬度極短，因此采用低脈沖能量容易達(dá)到極高峰值激光強(qiáng)度。由于強(qiáng)度極高以及激光與物質(zhì)的交互作用時(shí)間極短，熱擴(kuò)散受限制于極小的區(qū)域，聚集的激光器能量密度造成材料快速汽化。因此，脈沖光纖激光器可以在激光打標(biāo)應(yīng)用中的選擇材料表面融化優(yōu)質(zhì)、精密的圖案。由于沿著掃描路徑的兩個激光打標(biāo)點(diǎn)之間的距離與掃描儀速度成正比，與脈沖重復(fù)率成反比，因此，當(dāng)激光掃描儀由數(shù)字狀態(tài)空間伺服機(jī)構(gòu)控制時(shí)，高重復(fù)率脈沖光纖激光器是設(shè)計(jì)優(yōu)質(zhì)、高速激光打標(biāo)系統(tǒng)的一個重要部分。 試驗(yàn)結(jié)果 用于試驗(yàn)的數(shù)字激光打標(biāo)系統(tǒng)由Cambridge Technology公司的一個配有6230掃描振鏡以及10mm鏡面的DC2000數(shù)字狀態(tài)空間伺服機(jī)構(gòu)和SPI公司的一個20瓦光纖激光器組成。激光器以125KHz的重復(fù)率運(yùn)行。使用不銹鋼板進(jìn)行激光打標(biāo)處理研究。這種系統(tǒng)的打標(biāo)性能與經(jīng)過優(yōu)化調(diào)整的CTI 671模擬伺服機(jī)構(gòu)驅(qū)動的相應(yīng)模擬打標(biāo)系統(tǒng)的輸出進(jìn)行了對比。 圖1a和圖1b分別表示數(shù)字與模擬系統(tǒng)的激光打標(biāo)圖案。標(biāo)記圖案經(jīng)過充分復(fù)雜化，包括不同長度的影線、尖頭、螺旋、直線和曲線等特性。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，這種數(shù)字系統(tǒng)能夠在25.6秒內(nèi)完成打標(biāo)處理，但是模擬系統(tǒng)需要52秒完成相同操作。這是兩種系統(tǒng)的最佳結(jié)果，因?yàn)榻档蛢煞N系統(tǒng)處理時(shí)間的任何額外努力將惡化標(biāo)記質(zhì)量。當(dāng)與模擬系統(tǒng)進(jìn)行對比時(shí)，對于中等復(fù)雜程度的圖案，這種數(shù)字系統(tǒng)使打標(biāo)速度提高200%。 圖1a（左）和圖1b（右）表示數(shù)字與模擬系統(tǒng)的激光打標(biāo)圖案高性能伺服機(jī)構(gòu)還具有這樣的特征：在快速的加速與減速期間，產(chǎn)生扭矩以控制電機(jī)。圖2a和圖2b分別表示數(shù)字和模擬系統(tǒng)的伺服機(jī)構(gòu)執(zhí)行相同打標(biāo)速度（10Kmm/sec）時(shí)的水平線打標(biāo)圖案。兩個圖形中可以看到不同點(diǎn)空間的兩個區(qū)域。區(qū)域１是具有不同點(diǎn)空間的區(qū)域，對應(yīng)于掃描儀的加速/減速階段。區(qū)域２是具有恒定點(diǎn)空間的區(qū)域，對應(yīng)于掃描儀的穩(wěn)定掃描階段。由于圖2a中區(qū)域１的長度（~310 祄）比圖2b中區(qū)域１的長度（~2600 祄）短，可推出，數(shù)字伺服機(jī)構(gòu)處理扭矩脈沖的短期爆發(fā)性能比模擬伺服機(jī)構(gòu)更佳。 圖2a（左）和圖2b（右）表示數(shù)字和模擬系統(tǒng)的伺服機(jī)構(gòu)執(zhí)行相同打標(biāo)速度 （10Kmm/sec）時(shí)的水平線打標(biāo)圖案。在第三個試驗(yàn)中，還研究了掃面振鏡角度反應(yīng)對于數(shù)字系統(tǒng)與模擬系統(tǒng)之間輸入命令的差異，表明數(shù)字狀態(tài)空間伺服技術(shù)有改進(jìn)。與以前一樣，兩個伺服機(jī)構(gòu)驅(qū)動一個配備10毫米鏡面的CTI 6230掃描振鏡。圖3中，黑線和紅線分別代表使用數(shù)字伺服控制器與模擬伺服控制器的角度路徑（依賴于時(shí)間）。鏡面旋轉(zhuǎn)的角度沿著Y軸進(jìn)行繪制，采用任意內(nèi)部單元表示。數(shù)字伺服機(jī)構(gòu)的路徑與輸入命令密切匹配，兩條軌跡都不可識別。紅線發(fā)生變形，因?yàn)槟M PID 伺服機(jī)構(gòu)由于帶寬的限制不能精確跟蹤輸入信號。 圖3、掃面振鏡角度反應(yīng)對于數(shù)字系統(tǒng)與模擬系統(tǒng)之間輸入命令的差異。